特許 7477046 回転電機のステータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-22

(45)【発行日】2024-05-01

(54)【発明の名称】回転電機のステータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 3/28 20060101AFI20240423BHJP

   H02K 3/04 20060101ALI20240423BHJP

   H02K 3/24 20060101ALI20240423BHJP

【ＦＩ】

H02K3/28 N

H02K3/04 J

H02K3/24 J

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2023508180

(86)(22)【出願日】2021-03-22

(86)【国際出願番号】 JP2021011799

(87)【国際公開番号】W WO2022201260

(87)【国際公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-05-31

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 洋三

(72)【発明者】

【氏名】姫野 友克

(72)【発明者】

【氏名】野口 陽平

【審査官】津久井 道夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１４３０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－９０３９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１３５０５４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ３／２８

Ｈ０２Ｋ ３／０４

Ｈ０２Ｋ ３／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転電機のステータにおいて、
複数のスロットを有するステータコアと、
それぞれの前記スロットに挿通されるコイル素子と、
前記コイル素子の端部に接続されて前記コイル素子を互いに結線する複数の結線部材と、を有し、
前記コイル素子は、前記スロットからの突出量が相対的に大きい第１コイルと、前記突出量が相対的に小さい第２コイルとからなり、それぞれの前記結線部材が、一端は前記第１コイルの端部と接続され、他端は前記第２コイルの端部と接続され、
前記結線部材は、前記ステータコアの周方向に円環状に並ぶことで別体エンドコイルを構成し、かつ、それぞれの前記結線部材は前記コイル素子に対して直角方向に接続され、
前記別体エンドコイルは、前記コイル素子との接続部が前記コイル素子の延長方向に２層に分かれて並ぶ２層構造を有し、それぞれの前記結線部材の前記第１コイルとの接続部から中間部までが前記コイル素子の延長方向と直交する同一平面上に円環状に並ぶことで構成されて冷却器が有する円環状の平面で構成される熱交換面と接する冷却部を有する、回転電機のステータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電機のステータに関する。

【背景技術】

【0002】

ＷＯ２０２０／２１３６５１Ａ１には、Ｕ字状に折り曲げた複数の平角線をそれぞれステータに挿入し、ステータから突出した部分（コイルエンド）を折り曲げて相ごとに接続することにより分布巻きのコイルを形成する回転電機が開示されている。

【発明の概要】

【0003】

ところで、回転電機の連続出力は、コイル被膜の絶縁性を確保するための上限温度、磁石の減磁を発生させないための上限温度といった要因により制約される。したがって、回転電機を連続運転するためには、コイルの効率的な冷却が重要となる。

【0004】

コイル冷却の効率の観点からは、コイルと冷媒とが直接、熱交換する構造、例えば、コイルと内部を冷媒が循環する冷却器とが接触する構造が望ましい。

【0005】

しかし、上記文献に開示されている回転電機のＵ字状に折り曲げた側のコイルエンドには、複数の平角線が互いに干渉しないよう配置されるため複雑な凹凸形状が形成される。また、折り曲げて接続される側のコイルエンドは、接続しない他の平角線との干渉を避けるために平角線を複雑な形状に折り曲げることが必要となるので、複雑な凹凸形状が形成される。このため、冷却器とコイルとが接触する構造にしても、十分な接触面積が得られないので、効率的な冷却は望めない。

【0006】

そこで本発明は、コイルエンドでコイルを冷却することが可能な回転電機のステータを提供することを目的とする。

【0007】

本発明のある態様によれば、複数のスロットを有するステータコアと、それぞれのスロットに挿通されるコイル素子と、コイル素子の端部に接続されてコイル素子を互いに結線する複数の結線部材と、を有する回転電機のステータコアが提供される。結線部材は、ステータコアの周方向に円環状に並ぶことで別体エンドコイルを構成し、かつ、それぞれの結線部材はコイル素子に対して直角方向に接続される。そして、別体エンドコイルは、それぞれの結線部材の少なくとも一部がコイル素子の延長方向と直交する同一平面上に並ぶことで構成される冷却部を有する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、ステータの分解斜視図である。

【図2】図２は、結線部材の側面図である。

【図3】図３は、一対のスロット間の接続状態を示す図である。

【図4】図４は、スロットコイルと別体エンドコイルとの接続状態を示す図である。

【図5】図５は、結線部材の接続角度を説明するための図である。

【図6】図６は、別体エンドコイルの２層構造を説明するための斜視図である。

【図7】図７は、別体エンドコイルの２層構造を説明するための側面図である。

【図8】図８は、冷却面について説明するための図である。

【図9】図９は、冷却器の一例を示す図である。

【図10】図１０は、別体エンドコイルを用いない場合のコイル素子の突出部を示す図である。

【図11】図１１は、別体エンドコイルを用いない場合のコイル素子同士の接続状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

【0010】

図１は、本実施形態にかかるステータ１の分解斜視図である。ステータ１は、ステータコア２と、スロットコイル３と、別体エンドコイル４とを備える。

【0011】

以下の説明において、径方向、軸方向、周方向とは、それぞれステータコア２の径方向、軸方向、周方向を意味する。

【0012】

ステータコア２は、複数の板状の電磁鋼板がその厚み方向に積層されたものであり、その径方向内側に突出する複数のティース２Ａと、隣り合うティース２Ａの間に形成されるスロット５とを備える。

【0013】

スロットコイル３は、複数の略Ｕ字形状のコイル素子３Ａの集合体であり、全体として円筒形状を有する。コイル素子３Ａは複数の平角線で構成されている。平角線は、例えば銅やアルミ等といった導体素材で構成されている。また、各平角線は、後述する結線部材６が接続される両端部を除いて、例えばエナメル等の絶縁体により被覆されている。スロットコイル３はステータコア２の一方の端部側からスロット５に挿入される。なお、各スロット５には絶縁紙が挿入されており、これによりスロットコイル３とティース２Ａとは電気的に絶縁状態となる。

【0014】

別体エンドコイル４は、スロット５を貫通してステータコア２から突出したスロットコイル３の特定の端部同士を電気的に接続する結線部材６の集合体であり、全体として円環形状を有する。ここで、結線部材６及び別体エンドコイル４について図２を参照して説明する。

【0015】

図２は結線部材６の側面図である。

【0016】

結線部材６は、導体素材で構成されており、脚部６Ａと、脚部６Ａの両端に設けられた接続部６Ｂとを有する。脚部６Ａは、例えば図２に示すように中間部分で折り曲げられた板バネ形状を有する。一方の接続部６Ｂから他方の接続部６Ｂまでの距離は、それぞれの結線部材６が接続されるスロットコイル３の端部の間の距離よりも長い。すなわち、結線部材６は、２つの接続部６Ｂが近づく方向に弾性変形した状態でスロットコイル３に接続される。換言すると、結線部材６は、接続されたスロットコイル３の端部に対し、弾性力を印加する。

【0017】

なお、脚部６Ａの形状はこれに限られるわけではなく、弾性変形可能な形状であればよい。また、図２では接続部６Ｂが折り曲げられた湾曲形状となっているが、これに限られるわけではない。

【0018】

別体エンドコイル４は、複数の結線部材６を円環状に並べたものである。別体エンドコイル４は、治具を用いて複数の結線部材６を円環状に仮組した状態で、スロットコイル３に組み合わされる。そして、各結線部材６と各コイル素子３Ａは溶接、はんだ、接触式接続、固相接合、導電性接着剤による接着等の方法により電気的に接続され、治具は除去される。なお、以下の説明において、別体エンドコイル４とスロットコイル３とが接続されたものをステータコイル２０ともいう。

【0019】

図３は、スロット５Ａを貫通するコイル素子３ＡＡとスロット５Ｂを貫通するコイル素子３ＡＢとの接続状態を示す斜視図である。

【0020】

コイル素子３ＡＡとコイル素子３ＡＢとを接続する３つの結線部材６は、径方向に積層された状態になっている。なお、結線部材６の接続部６Ｂ付近の形状は、他の結線部材６との干渉を避けるため適宜変更されている。

【0021】

本実施形態のコイル素子３Ａは、ステータコア２の端部からの突出量が相対的に大きい３本の平角線（第１コイル）と、相対的に小さい３本の平角線（第２コイル）とが径方向に交互に並ぶ構成となっている。そして、スロット５Ａのコイル素子３ＡＡの径方向内側から２番目の端部と、スロット５Ｂのコイル素子３ＡＢの径方向最内側の端部とが結線部材６により接続される。同じくコイル素子３ＡＡの径方向内側から４番目の端部と、コイル素子３ＡＢの径方向内側から３番目の端部とが別の結線部材６により接続される。同じくコイル素子３ＡＡの径方向最外側の端部と、コイル素子３ＡＢの径方向内側から５番目の端部とがさらに別の結線部材６により接続される。すなわち、一方のスロット５Ａのコイル素子３ＡＡのうち、突出量が相対的に大きい３本の平角線と、他方のスロット５Ｂのコイル素子３ＡＢのうち、突出量が相対的に小さい３本の平角線とが接続される。

【0022】

他のコイル素子３Ａも同様の形態で接続されている。したがって、別体エンドコイル４をスロットコイル３に組み付けた状態は、図４に示す通りである。

【0023】

なお、上述した結線部材６からコイル素子３Ａに印加される弾性力は、コイル素子３ＡＡとコイル素子３ＡＢに対して互いに遠ざかる方向（つまり、略周方向）に作用する。これにより、コイル素子３ＡＡとコイル素子３ＡＢは、それぞれスロット５に押し付けられ、これにより生じる摩擦力によってスロットコイル３がスロット５に固定される。

【0024】

図５は、図４を別の角度から見た斜視図である。図５に示す通り、各結線部材６はコイル素子３Ａの延長方向に対して直角に接続される。また、結線部材６は、接続部６Ｂから脚部６Ａの中間部分までの側面（以下、この側面を側面６Ｃという）が一つの平面で構成される。このため、別体エンドコイル４は、それぞれの結線部材６の少なくとも一部（ここでは、突出量が相対的に大きい平角線と接続される接続部６Ｂから、中間部分までの側面６Ｃ）がコイル素子３Ａの延長方向と直交する同一平面上に並ぶこととなる。なお、ここでいう「コイル素子３Ａの延長方向」は、軸方向と同義である。

【0025】

図６は、別体エンドコイル４をスロットコイル３に組み付けた状態を示す斜視図であり、図７はスロットコイル３に組み付けた状態の別体エンドコイル４の側面図である。

【0026】

各結線部材６は、上述した通り、一方の接続部６Ｂがステータコア２の端部からの突出量が相対的に大きい平角線に接続され、他方の接続部６Ｂがステータコア２の端部からの突出量が相対的に小さい平角線に接続される。また、各結線部材６の、突出量が相対的に大きい平角線と接続される接続部６Ｂから中間部分までの側面６Ｃは、コイル素子３Ａの延長方向と直交する同一平面上に並ぶ。したがって、各結線部材６の、突出量が相対的に小さい平角線と接続される接続部６Ｂから中間部分までの側面（図示せず）も、コイル素子３Ａの延長方向と直交し、かつ側面６Ｃが並ぶ平面とは異なる平面上に並ぶ。すなわち、図６、図７に示す通り、別体エンドコイル４は、接続部６Ｂがコイル素子３Ａの延長方向に２層に分かれて並ぶ２層構造を有する。

【0027】

図８は、結線部材６の側面６Ｃが並ぶ、コイル素子３Ａの延長方向と直交する平面（以下、この平面を平面Ｓという）を示した図である。なお、平面Ｓは仮想平面である。

【0028】

上述した通り結線部材６は円環状に並ぶので、各結線部材６の側面６Ｃは図８に示す通り平面Ｓの円環部Ｃに沿って並ぶ。換言すると、各側面６Ｃが円環部Ｃに接する。したがって、円環部Ｃに相当する平面を熱交換面１１として有する冷却器１０（冷却器１０については後述する）を用いれば、各側面６Ｃが熱交換面１１と接することとなり、十分な接触面積を確保することができる。なお、本実施形態では、突出量が相対的に大きい平角線と接続される接続部６Ｂから中間部分までを側面６Ｃとしている。換言すると、結線部材６の一方の接続部６Ｂから他方の接続部６Ｂまでの側面全体のうち、略半分が熱交換面１１と接する側面６Ｃとなっている。しかし、結線部材６の側面全体に占める側面６Ｃの割合は略半分に限られるわけではない。

【0029】

図９は、上述した冷却器１０の一例を示す図である。冷却器１０は円環状の胴体部１０Ｂと、流入口１０Ａと、排出口１０Ｃとを備える。胴体部１０Ｂの内部には流入口１０Ａと排出口１０Ｃとを連通する冷媒流路が設けられている。図中に矢印で示す通り、冷媒は流入口１０Ａから胴体部１０Ｂに供給され、分岐して胴体部１０Ｂの内部を流れ、排出口１０Ｃの手前で合流して排出口１０Ｃから排出される。

【0030】

胴体部１０Ｂは、円環状の平面で構成される熱交換面１１を有する。熱交換面１１は上記の円環部Ｃと同形状である。

【0031】

冷却器１０は、熱交換面１１が円環部Ｃと一致するように配置される。これにより、各結線部材６の側面６Ｃが熱交換面１１と接することとなる。つまり、各結線部材６の側面６Ｃが、熱交換面１１との間で熱交換を行う冷却部を構成することとなる。

【0032】

なお、上述した冷却器１０の構造はあくまでも一例である。熱交換面１１を備えることは必須であるが、その他の構成、例えば流入口１０Ａ及び排出口１０Ｃの配置、胴体部１０Ｂ内の冷媒流路等は図９のものに限られるわけではない。

【0033】

次に、ステータ１を上述したような構成にすることによる効果について説明する。

【0034】

各結線部材６の側面６Ｃが同一平面上に並ぶことによって構成される冷却部と冷却器１０の熱交換面１１とを接触させることにより、ステータコイル２０と冷却器１０との接触面積を確保しつつステータコイル２０を直接的に冷却することができる。これに対し、一般的に知られているステータコイル２０の冷却構造は、冷媒流路を備える筐体をステータコア２の外周部に設けたものである。これによれば、ステータコイル２０と冷媒流路との間の熱交換が、上記筐体、ステータコア２、絶縁紙、スロットコイル固定用のワニス等を介して行われることとなる。

【0035】

すなわち、本実施形態のようにステータコイル２０を直接的に冷却する構成にすることで、一般的に知られている冷却構造よりも冷却性能を高めることができる。

【0036】

また、スロットコイル３の端部同士の接続に別体エンドコイル４を用いるのは、別体エンドコイル４を用いずに接続する構成よりも、ステータコイル２０と冷却器１０との接触面積の確保に有利だからである。その理由について図１０及び図１１を参照して説明する。図１０はステータコア２にスロットコイル３を貫通させた状態を示しており、図１１は一対の端部を接続した状態を模式的に示している。

【0037】

別体エンドコイル４を用いずに接続する場合には、例えば図１０に示すように各コイル素子３Ａのステータコア２からの突出量を同一に揃える。そして、接続する一対のコイル素子３Ａの、ステータコア２から突出する部分に曲げ加工を施すことで、図１１に示すように互いの先端部を接触させる。このような構成において、本実施形態と同様に冷却器１０の熱交換面１１と接する冷却部を形成するためには、各コイル素子３Ａを屈曲させることで、各コイル素子３Ａの側面６Ｃを上述した平面Ｓ上に揃える必要がある。しかし、曲げ加工では成型精度にバラツキが生じることは避けられないので、各コイル素子３Ａの側面６Ｃを平面Ｓ上に揃える精度においても、これと同等のバラツキが生じてしまう。このため、一部のコイル素子３Ａの側面６Ｃが熱交換面１１と接触しない状態になり、十分な冷却性能が得られないおそれがある。

【0038】

これに対し別体エンドコイル４を用いる場合には、複数の結線部材６から別体エンドコイル４を組み立てる際に各結線部材６の側面６Ｃを同一平面上に揃えればよいので、曲げ加工に比べて高い精度で揃えることができる。

【0039】

また、曲げ加工を行う際には、コイル素子３Ａを治具等により保持して荷重を加えるが、各コイル素子３Ａが互いに近接して配置されているため、治具のためのスペースを確保することは現実的には困難である。

【0040】

さらに、曲げ加工の精度には限界があり、この精度の限界が端部の位置合わせの精度にも影響を与える。このため、端部同士の電気的な接続に接触式接続を採用すると、安定した接触状態を得ることが難しい。そこで、溶接やロウ付け等による接合が必要となる。これに対し別体エンドコイル４を用いる場合には、治具を用いることで各結線部材６を精度よく位置決めすることができるので、接触式接続でも安定した接触状態を確保することができる。

【0041】

以上の通り本実施形態では、複数のスロット５を有するステータコア２と、それぞれのスロット５に挿通されるコイル素子３Ａと、コイル素子３Ａの端部に接続されてコイル素子３Ａを互いに結線する複数の結線部材６と、を有する回転電機のステータ１が提供される。結線部材６は、ステータコア２の周方向に円環状に並ぶことで別体エンドコイル４を構成し、かつ、それぞれの結線部材６はコイル素子３Ａに対して直角方向に接続される。また、別体エンドコイル４は、それぞれの結線部材６の少なくとも一部がコイル素子３Ａの延長方向と直交する同一平面上に並ぶことで構成される冷却部を有する。

【0042】

これにより、冷却部に冷却器１０を接触させることでステータコイル２０を直接的に冷却することができる。また、冷却器１０の熱交換面１１が単純な平面であっても十分な接触面積を確保できるので、冷却器１０の製造コストを抑えることができる。

【0043】

本実施形態では、別体エンドコイル４は、コイル素子３Ａとの接続部がコイル素子３Ａの延長方向に２層に分かれて並ぶ２層構造を有する。このように２層構造にすることで、結線部材６同士の干渉を避けつつ、結線部材６の一部が同一平面上に並ぶ冷却部を設けることができる。

【0044】

本実施形態では、コイル素子３Ａは、スロット５からの突出量が相対的に大きい第１コイルと、突出量が相対的に小さい第２コイルとからなり、それぞれの結線部材６が、一端は第１コイルの端部と接続され、他端は第２コイルの端部と接続される。これにより、上述した２層構造を実現することができる。

【0045】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】